新型軸類零件自動線的研發(fā)*

□ 李進冬 □ 王志鑫 □ 武 瀅

1.沈陽機床股份有限公司沈一車床廠 沈陽 110142

2.沈陽機床（集團）有限責任公司 國家重點實驗室 沈陽 110142

新型軸類零件自動線的研發(fā)*

□ 李進冬1□ 王志鑫1□ 武 瀅2

1.沈陽機床股份有限公司沈一車床廠 沈陽 110142

2.沈陽機床（集團）有限責任公司 國家重點實驗室 沈陽 110142

根據(jù)典型軸類零件的加工工藝特點，采用了驅(qū)動頂尖與尾臺頂尖配合的雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持軸類零件的新方案，提高了軸類零件加工精度和加工效率。針對此種夾持方式，在自動線上下料時產(chǎn)生不確定軸向位移的問題，研發(fā)了一種柔性軸件抓手的抓取模塊，成功解決了位移問題，并應(yīng)用此模塊進行軸類零件的自動線設(shè)計，實現(xiàn)了軸類零件高精、高效、自動化的加工方式。

軸類自動線 雙頂尖結(jié)構(gòu) 不確定軸向位移 柔性軸件抓手

軸類零件是機械加工行業(yè)中的典型工件，如電機軸、傳動軸、曲軸、鉸接軸等，加工設(shè)備主要為數(shù)控車床，涉及行業(yè)有電機行業(yè)、汽車零部件、工程機械等，此類零件的加工在制造業(yè)中占有很大比重。隨著近幾年來人力成本的增加，此行業(yè)普遍面臨招工難、人力成本上升等問題，而此行業(yè)的產(chǎn)品批量較大，因此，軸類零件特別適合采用自動線加工模式。

1 雙頂尖結(jié)構(gòu)的特點

對于傳統(tǒng)軸類零件的車削加工來說，如果采用一夾一頂?shù)难b夾方式，則必須掉頭裝夾才能完成全部外表面的加工，這就增加了裝夾輔助時間。為此，工程界研究出了能在一次裝夾條件下，完成軸類零件全部外表面加工的端面驅(qū)動技術(shù)［1］，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

驅(qū)動頂尖主要由前頂尖和驅(qū)動銷組成，前頂尖的作用是對工件的中心定位，后側(cè)有碟簧結(jié)構(gòu)，可在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生軸向位移。

驅(qū)動銷的作用是依靠尾臺頂尖提供頂緊力，使驅(qū)動銷嵌入工件端面，并隨機床主軸旋轉(zhuǎn)。夾持示意圖如圖2所示。

▲圖1 端面驅(qū)動頂尖結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持示意圖

采用雙頂尖結(jié)構(gòu)夾持軸類零件方式，僅一次裝夾即可完成各軸頸、端面、槽型和螺紋加工，在車銑中心上還可以一次完成鍵槽和油孔的加工，大大縮短了裝夾輔助時間。同時，由于加工件不需要掉頭裝夾，同軸度和位置度更有保證。驅(qū)動端面頂尖的驅(qū)動力不是來源于安裝在主軸后面的液壓缸，所以主軸轉(zhuǎn)速的提高不受液壓缸極限轉(zhuǎn)速的制約，特別有利于高轉(zhuǎn)速車削加工［2］。根據(jù)文獻［3］的結(jié)論，雙頂尖結(jié)構(gòu)的夾持方式，加工效率提高40%～50%，同軸度等加工精度提高2倍以上。

▲圖3 柔性軸件抓手示意圖

▲圖4 彈性機構(gòu)的抓手示意圖

2 雙頂尖結(jié)構(gòu)與自動線的配合問題

由于此種雙頂尖結(jié)構(gòu)的特點，導(dǎo)致軸類零件在上下料時會出現(xiàn)一定行程的軸向竄動位移，并且動作的速度和行程大小不確定性很大，受到尾臺液壓油壓力、加工件的材料、熱處理方式、夾持位置及工件尺寸大小等多種因素的影響，產(chǎn)生的不確定軸向位移很難計算，這就導(dǎo)致自動線上下料時無法提供相應(yīng)的軸向配合運動，對軸類抓手機構(gòu)造成沖擊力和扭矩，會導(dǎo)致抓手受損環(huán)，甚至對自動上下料系統(tǒng)的進給機構(gòu)造成損壞。由于不確定軸向位移的影響，會使工件定位不好，從而降低工件加工質(zhì)量。同時，軸類工件在夾持輸送過程中由于尺寸較長，單抓手抓取時容易出現(xiàn)質(zhì)心偏移、脫落等情況，會對機床造成損壞，也存在人身安全隱患，需要一種專用的抓手模塊來適應(yīng)此種加工方式。

3 柔性軸件抓手模塊

針對以上問題，研發(fā)了一套專用柔性軸件抓手模塊，解決了以上問題，并完成了專利申請。此種柔性軸件抓手機構(gòu)，采用獨立設(shè)計的帶導(dǎo)軌滑塊的柔性手爪與剛性手爪并列排布的雙氣爪抓手結(jié)構(gòu)，既能滿足在工件上下料運送過程中剛性夾緊工件以保證運送安全的功能，又能滿足機床上下料時產(chǎn)生柔性自適應(yīng)功能以保證高精度定位的要求［4］。

整套抓手模塊由翻面氣缸和上料抓手模塊、下料抓手模塊組成，可以實現(xiàn)沿A軸90°旋轉(zhuǎn)功能。抓手模塊均由一個柔性氣爪和一個剛性氣爪組成，其中柔性氣爪作為主抓手，剛性氣爪作為輔助抓手。詳細示意如圖3所示。

柔性抓手配有一套帶彈性機構(gòu)的抓手系統(tǒng)，可實現(xiàn)工件產(chǎn)生軸向方向的位移量。柔性機構(gòu)由導(dǎo)軌和滑塊、擋板1、擋板2、彈簧、手爪塊和連接軸組成，如圖4所示。手爪塊與滑塊剛性連接，可依靠彈簧的彈力產(chǎn)生沿導(dǎo)軌的移動，自動適應(yīng)軸向不確定位置量。

在工件輸送過程中，主抓手和輔助抓手一起抓緊工件以保證輸送安全性。在上下料過程中，輔助抓手松開，由主抓手單獨抓緊工件，憑借主抓手的柔性特點，自動適應(yīng)兩側(cè)頂尖夾緊產(chǎn)生的不確定性位移，以減輕對抓手機構(gòu)的沖擊力，同時也能保證工件的精確裝卡定位，且并排雙手爪結(jié)構(gòu)，對軸類工件長度的適應(yīng)范圍更寬。

4 自動線案例簡述

針對國內(nèi)某大型企業(yè)的傳動軸零件自動線加工的需求，設(shè)計一套桁架自動線以實現(xiàn)軸類零件自動線方案。傳動軸材料為40Cr，樣件圖紙及加工精度要求如圖5所示。

根據(jù)零件圖紙分析，傳動軸端兩側(cè)均設(shè)計有中心孔，且兩端面的尺寸公差與粗糙度要求較低，適用于雙頂尖夾持形式，且主要尺寸均以兩側(cè)A-B為公共基準，采用此種夾持方式更有利于保證工件的加工精度。要求軸類件的毛坯表面均勻、材質(zhì)密度偏差較小，以保證自動化生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性。在車傳動軸毛坯件前，需經(jīng)端打機在傳動軸上加工兩端面和鍵槽，以保證雙頂尖夾具的夾持基準。

整套自動線由一套GLS系列桁架自動線和兩臺ETC3675h數(shù)控車床組成。自動線主體結(jié)構(gòu)為四立柱的兩軸桁架主體，在豎直軸的抓取端，配有柔性軸件抓手模塊，可同步實現(xiàn)毛坯件的上料和成品的下料，提高自動生產(chǎn)線的效率。料庫采用了適應(yīng)于大型軸類件的托盤式倍速鏈結(jié)構(gòu)，保證料庫的存儲容量和運行可靠性。數(shù)控車床配有驅(qū)動頂尖、帶有行程檢測的液壓尾臺模塊、八工位伺服刀塔等模塊，并配有自動線必須的氣動門、鐵屑清理模塊、后置排屑器等模塊。自動線布局圖和實例照片如圖6所示。

▲圖5 傳動軸工件圖紙

▲圖6 自動線的布局圖與實例圖

5 結(jié)論

筆者設(shè)計的新型軸類自動線進行了小批量生產(chǎn)，使用企業(yè)給予了高度評價，效率和穩(wěn)定性均超出了用戶的要求。采用了柔性軸件抓手的軸類自動線，配合雙頂尖夾持結(jié)構(gòu)的數(shù)控車床，既解決企業(yè)用工招工難題，降低操作者的勞動強度，又提高了加工產(chǎn)品的精度和效率。同時提高了生產(chǎn)企業(yè)的形象，加速企業(yè)品牌的提升。

［1］王德云，鐘康民.高速數(shù)控車床用離心式端面驅(qū)動頂尖［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2002（2）.

［2］王紅巖，秦可.裝夾軸類零件的端面驅(qū)動頂尖［J］.山東機械，2001（3）.

［3］王金娥，孫斌.一種用于數(shù)控車床的新型端面撥動頂尖［J］.機械設(shè)計與研究，1998（3）.

［4］李曉雷，郭生，李進冬等.一種柔性軸件抓手機構(gòu)［P］.中國專利：CN203045414U，2013-07-10.

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TH165

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1000-4998（2015）02-0063-03

*2012年第七屆中國數(shù)控機床展覽會春燕獎

2014年3月